[论文解读] The ultra-diffuse galaxy NGC 1052-DF2 with MUSE: II. The population of DF2: stars, clusters and planetary nebulae

Jérémy Fensch, R. F. J. van der Burg+14 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2018

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 95被引用 20

一句话总结

本研究利用MUSE/VLT数据，首次对超弥散星系NGC 1052-DF2中的恒星族与球状星团（GCs）进行了同步光谱分析。研究发现其恒星体年龄较老、金属丰度较低（[M/H] = −1.07 ± 0.12），球状星团亦具有类似年龄且金属丰度更低（[M/H] = −1.63 ± 0.09），二者均与矮星系的尺度关系一致。研究还首次探测到三个行星状星云，支持该星系距离为13–20 Mpc，挑战了其最初被认定为缺乏暗物质的解释。

ABSTRACT

NGC 1052-DF2, an ultra diffuse galaxy (UDG), has been the subject of intense debate. Its alleged absence of dark matter, and the brightness and number excess of its globular clusters (GCs) at an initially assumed distance of 20Mpc, suggested a new formation channel for UDGs. We present the first systematic spectroscopic analysis of both the stellar body and the GCs (six of which were previously known, and one newly confirmed member) of this galaxy using MUSE@VLT. Even though NGC 1052-DF2 does not show any spatially extended emission lines we report the discovery of three planetary nebulae (PNe). We conduct full spectral fitting on the UDG and the stacked spectra of all GCs. The UDG's stellar population is old, 8.9$\pm$1.5 Gyr, metal-poor, with [M/H] = $-$1.07$\pm$0.12 with little or no $α$-enrichment. The stacked spectrum of all GCs indicates a similar age of 8.9$\pm$1.8 Gyr, but lower metallicity, with [M/H] = $-$1.63$\pm$0.09, and similarly low $α$-enrichment. There is no evidence for a variation of age and metallicity in the GC population with the available spectra. The significantly more metal-rich stellar body with respect to its associated GCs, the age of the population, its metallicity and alpha enrichment, are all in line with other dwarf galaxies. NGC 1052-DF2 thus falls on the same empirical mass-metallicity relation as other dwarfs, for the full distance range assumed in the literature. We find that both debated distance estimates (13 and 20 Mpc) are similarly likely, given the three discovered PNe.

研究动机与目标

• 通过对其恒星与球状星团族的全面光谱分析，解决NGC 1052-DF2暗物质含量的争议。
• 利用高分辨率MUSE数据，测定星系恒星体及其球状星团的年龄、金属丰度与α元素增强程度。
• 评估星系的距离，并检验其与矮星系质量-金属丰度关系的符合程度。
• 通过恒星族与电离气体数据，检验潮汐矮星系与其它形成假说，探究DF2的起源。
• 首次利用行星状星云的光度与数量作为距离指示器，在超弥散星系中探测并表征行星状星云。

提出的方法

• 使用pPXF拟合程序与eMILES恒星库，对NGC 1052-DF2恒星体的积分光谱进行拟合。
• 对单个球状星团光谱进行叠加，以提高信噪比，用于群体合成建模。
• 从叠加的球状星团光谱中测量Lick指数，以交叉验证年龄与金属丰度估计。
• 通过MUSE数据立方中窄波段滤波与时空谱分析，检测发射线以识别行星状星云。
• 基于已校准的光度-金属丰度关系与行星状星云光度函数，利用探测到的行星状星云数量估算距离。
• 将星系的恒星质量与金属丰度与矮星系的经验质量-金属丰度关系进行比较，评估其与标准形成模型的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 NGC 1052-DF2的恒星族是否与典型矮星系一致，还是表现出极端低金属丰度或异常形成特征？
• RQ2 DF2中球状星团系统的年龄与金属丰度为何？其与场星星族相比如何？
• RQ3 探测到的行星状星云数量能否约束DF2的距离？该结果是否与13 Mpc与20 Mpc的估计一致？
• RQ4 观测到的恒星族金属丰度与年龄分布是否支持DF2起源于潮汐矮星系？
• RQ5 MUSE数据中缺乏扩展发射线是否与显著电离气体的缺失一致？这对星系演化状态有何含义？

主要发现

• NGC 1052-DF2的恒星族年龄较老，平均年龄为8.9 ± 1.5 Gyr，金属丰度较低，[M/H] = −1.07 ± 0.12，α元素增强程度极低或可忽略。
• 叠加的球状星团光谱显示其年龄与恒星体相近（8.9 ± 1.8 Gyr），但金属丰度显著更低，[M/H] = −1.63 ± 0.09，且球状星团系统中无年龄或金属丰度弥散的证据。
• 星系的恒星质量与金属丰度使其明确位于矮星系经验质量-金属丰度关系上，与缺乏暗物质系统的预期相矛盾。
• 探测到三个行星状星云，其数量与具有相似光度与金属丰度的星系预期一致，支持距离范围为13–20 Mpc。
• 观测到的群体性质，包括低α元素丰度与低金属丰度，与预富集气体形成情景一致，可能源于潮汐起源，但未被标准矮星系演化模型所排除。
• 数据不支持显著的恒星质量损失或剥离作为在缺乏暗物质假设下使DF2的金属丰度与质量-金属丰度关系一致的机制。